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浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 y 6 8 9 2 0 8 摘要 综合运用光、机、电、算等知识设计了一套监测系统，可对微球 ( 直径中 0 .2 m m - l m m) 涂敷时的运动状态进行实时视频监测。 直径为数百微米的微球是激光聚变工程的关键技术之一， 这种微球往往需要 在表面涂敷烧蚀层 有机材料) ， 涂敷的均匀性( 好于涂层厚度3 %) 和光洁度( 好 于涂层厚度 0 . 1 %)要求非常高，因此对其涂敷状态实时监测成为一个重要的研 究课题。由于涂敷在真空室内完成， 监测系统必须以远距显微摄像系统对微球成 像。 根据实际需要， 涂敷时有两种情况: 一个大弹盘里放多小微球或多个小弹盘， 每个盘里放一个微球。 微球在小弹盘中涂敷时， 为观察涂敷细节， 需要将小弹盘 的像作为整个视场放大到屏幕上， 因此， 要实现两种状态的切换就要用步进马达 实现显微摄像系统的自 动调焦让微球像放大达到满屏显示目的。 同时， 在观察并 列的多个小视场中的微球状态时， 使用步进电机驱动的二维精密扫描系统分别对 多个视场进行扫描并全视场成像监测。 系统由p c机通过单片机控制步进电 机来 驱动二维扫描和自动调焦。 微球在真空室内 涂敷时， 通入的有机气体会在高频线圈的作用下电离为等离 子体并发出荧光， 给视频监测带来困难。 对处于等离子体荧光区域中的微球， 用 l e d光源照明消除荧光干扰，使微球通过长工作距离显微镜与摄影系统相组合 的光学系统对其成像于c c d . 微球图像的显示与电机的控制集成于同一个界面之中， 便于根据显示的图 像 来控制显示系统的位置，从而在电脑屏幕上得到大小适合人眼观察的微球清晰 像。 本系统具有一定的通用性，只要稍加改动就可以应用于医学界进行显微手 术、精密加工企业、微电子器件生产等行业。 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系 统设计 ab s t r a c t i n t e g r a t e d k n o w l e d g e o f o p t i c s , m e c h a n i s m , e l e c t r i c s a n d c o m p u t e r s c i e n c e i s u t i l i z e d t o m o n i t o r b o u n c i n g s t a t e o f m i c r o s h p e r e s r e a l - t i m e . m i c r o s p h e r e s , w i t h a d i a m e t e r r a n g e f o r m 2 0 0 m i c r o n s t o 1 0 0 0 m i c r o n s , a r e o n e o f t h e k e y p a rt s o f l a s e r i c f ( i n e rt i a l c o n f i n e d f u s i o n ) . t h e m i c r o s p h e r e s a r e o f t e n t o b e c o a t e d w i th a b l a t i o n l a y e r ( o r g a n i c m a t e r i a l ) , w h i c h m u s t b e u n i f o r m t o b e tt e r t h a n 3 % , a n d t h a t c o a t in g s u r f a c e d e f e c t s m u s t b e l e s s t h a n 1 0 0 n m fr o m p e a k t o v a l l e y . t h e r e f o r e , i t b e c o m e s a n i m p o r t a n t s u b j e c t t o m o n i t o r i t s c o a t i n g s t a t e r e a l - t i m e . a n d s i n c e t h e m i c r o s p h e r e s a r e c o a t e d i n a v a c u u m c h a m b e r , t h e m o n i t o r i n g s y s t e m m u s t i m a g e m i c r o s p h e r e s b y a t e l e - m i c r o s c o p e s y s t e m . a c c o u n t i n g t o t h e r e a l d e m a n d , t h e r e a r e t w o k i n d s o f c o a t i n g s it u a t i o n s , t h e f ir s t i s m u l t i p l e m i c r o s p h e r e s b e i n g c o a t e d i n a b i g p a n , a n d t h e o t h e r i s o n e m i c r o s p h e r e i n a s ma l l p a n . u n d e r t h e l a tt e r c i r c u m s t a n c e s , it i s n e c e s s a r y t o e n l a r g e t h e i m a g e o f s m a l l p a n t o m e e t t h e f u l l s c r e e n s o as t o o b s e r v e d e t a i l s o f t h e m i c r o s p h e r e b e i n g c o a t e d . s o i t i s n e e d e d t o s w i t c h d i s p la y m o d e s a n d t h e f o c u s o f i m a g e s y s t e m fr o m m o n i t o r i n g b i g p a n t o o b s e r v i n g t h e s m a l l o n e b y s t 即m o t o r s . wh i l e m o n i t o r i n g s m a l l p a n s , w h i c h a r e a r r a y e d i n t h e v a c u u m c h a m b e r , i t i s a p p l i e d s t e p m o t o r s t o d r i v i n g 2 - d i m e n t i o n a l s c a n n i n g s y s t e m t o s c a n t h e p a n s a n d m a k e i m a g e o f o n e p a n fi l l t h e f u l l s c r e e n . i n t h i s m o n it o r in g s y s t e m a p e r s o n a l c o m p u t e r c o m m u n i c a t e s w it h m i c r o c o n t r o l l e r u n i t t o d r iv e t h e s t e p m o t o r s a n d r e a l i z e t h e f u n c t i o n s o f 2 - d i m e n t i o n a l s c a n n i n g a n d f o c u s i n g a u t o m a t i c a l l y . wh i l e t h e m i c r o s p h e r e s b e in g c o a t e d i n t h e c h a m b e r , t h e i n j e c t e d o r g a n i c g a s w i l l i o n i z e i n t o p l as m a t h a t w i ll fl u o r e s c e a n d p r e v e n t t h e i m a g e s y s t e m fr o m s h o o t in g t h e m i c r o s p h e r e s . t h e d i s tu r b a n c e fr o m t h e fl u o r e s c e n c e w i l l b e r e m o v e d b y i l l u m i n a t i n g m i c r o s p h e r e s w i t h l e d ( l i g h t i n g e m i t t e d d i o x i d e ) , t h e n t h r o u g h t h e o p t i c a l s y s t e m b u i l t - u p w i t h t e l e - m i c r o s c o p e a n d g e n e r a l s h o o t i n g l e n s , m i c r o s p h e r e s i m a g e o n t o t h e c c d . t h e i n d i c a t i o n o f t h e im a g e o f m i c r o s p h e r e s a n d c o n t r o l l i n g t o m o t o r s a r e i n t e g r a t e d i n t o t h e s a m e u s e r s i n t e r f a c e , w h i c h m a k e s i t c o n v e n i e n t a d j u s t t h e s h o o t i n g s y s t e m a c c o u n t i n g t o t h e im a g e o n d i s p l a y . t h u s t h e c l e a r im a g e o f t h e m i c r o s p h e r e w i t h s u i t a b l e s i z e f o r v i e w i n g w o u l d b e p r e s e n t e d o n d i s p l a y . t h i s m o n i t o r i n g s y s t e m i s v e r s a t i l e , a f t e r a s l i g h t m o d i fi c a t i o n i t c o u l d b e a p p l i e d i n p e r f o r m in g m e d i c a l o p e r a t i o n , i n f in e m a c h i n i n g m a n u f a c t u r e r a n d m i c r o e l e c t r o n i c d e v i c e p r o d u c i n g e n t e r p r i s e 1 1 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监侧系统设计 第一章绪论 1 . 1 引言 随着世界经济的飞速发展， 能源紧缺已成为制约世界各国发展的重要因素。 为此，世界各国积极寻找新能源代替传统的、日益枯竭的化石燃料能源， 其中 取之不尽的聚变核能成为能源家族的新贵，因此，受控核聚变成为当代自 然科 学界具有重大意义的研究领域。激光聚变的微球 ( 靶球)是其关键技术之一， 本文设计了对微球涂敷烧蚀层时的跳动状态进行实时监测的系统。 夸 1 . 1 . 1核聚变的意义 原子核能包含有核裂变能和核聚变能两种。 核 裂变能: 是 指重元素( 如 铀、 牡等 ) 的 原 子核发生分裂反应时 所 释放的 能量。 1 9 4 2 年， 著名物理学家e 费米 ( e f e r m i ) 在美国芝加哥大学建成世界上第 一个核裂变反应堆，开辟了把核能有控制地释放出来的新纪元。近年来，裂变 核电 站技术己 经相当成熟并己商业化， 为世界各国缓解电 力紧张立下汗马功劳。 但核裂变电站存在以下问题: 1 ) 裂变燃料铀是稀有金属， 资源有限。 特别是在我国， 按己 探明的铀含量 计， 铀- 2 3 5 ( 2 3 1 u ) 仅可供1 . 5 x 1 0 0 瓦的 压水堆核电站运行3 0 年 。 2 ) 高放射性核废料的处理和安放是一个难题(2 1 ，处置不当 将给地球上的生 态环境带来灾难性破坏。 3 ) 安全问 题。 它是人们一直所担心的， 一旦发生核泄漏， 将带来严重的生 态灾难。 4 ) 裂变燃料价格昂贵。 从世界的勘探情况来看， 这类资源在地球上分布不 均且矿产品味低，开采困难。 核聚变能以 其一系列优点成为能源发展的新方向。 核聚变能是指轻元素( 如 氖、 氖) 的原子核发生聚合反应时所释放的能量.1 9 9 1 年1 1 月欧洲核聚变环形 浙江大学硕士学位论文动态微球涂数状态实时监测系统设计 装置实验室的科学家们使用氢的同位素氖氖混合燃料，成功地进行了一次受控 核聚变试验， 温度高达2 x 1 0 $ ， 为太阳内部温度的1 0 倍， 产生了 近2 兆瓦的电 能， 从而使人类多年来对于获得充足而无污染的核能的科学梦想向 现实大大靠 近了一步。聚变燃料主要为氢的同位素氖和 u 。利用核聚变能作为能源有许多 优点: 1 ) 单位质量的氖聚变时释放的能量比裂变能多， 氖在聚变时平均每个核子 释放出的能量为 3 . 5 2 m e v ，而 2 3 5 u裂变过程中平均每个核子释放能量 0 .8 5 m e v 2 13 1 ， 前 者 是 后 者的 四 倍多。 2 ) 聚变资源蕴藏丰富， 核聚变用的燃料是海水中的氖，1 升海水可提取3 0 毫克氖， 这些氖聚变可以 产生 1 0 , “ 焦耳的能量， 地球海水总量约为 4 .6 x 1 0 2 升， 这样， 地表面海水中含氖大约1 0 6 吨， 总共可提供的能量有5 x 1 0 3 1 焦耳， 按照目 前的能量使用速度可供全人类使用 1 0 , “ 年2 1 4 1 ，可以 说是取之不竭， 用 之不尽。 3 ) 核聚变能是一种洁净安全的能源， 聚变燃料是按一定的数量和速度加入， 任何时候反应室里的燃料数量也不大，在进行聚变反应时即使失控也不会产生 严重事故。此外，核聚变只在反应过程中产生放射性中间产物，不会对环境造 成影响， 而且不释放含碳和硫的有害气体。 4 ) 聚变燃料比较容易得到，不用挖井采矿，只要让海水流经提炼工厂就可 以将其中的氖提取出来。 综上所述，核聚变能是一种未来最有希望的能源， 长远来看，它的开发和 利用从可以满足人类长期能源的需求。 1 . 1 . 2惯性约束核聚变的进展情况 自 上世纪5 0 年代科学家提出受控核聚变设想以来，己 取得许多重要成果。 并且，激光技术的发展，使可控核聚变的“ 点火” 难题有了 解决的可能。激光惯 性约束核聚变 ( i n e rt i a l c o n f i n e m e n t f u s i o n ) 被认为是聚变能发展颇有前景的 方 向之一。到目 前为止，惯性约束聚变研究主要集中于驱动器的研制和靶物理。 固 体 激 光器 是 驱 动 器中 技 术 最 成熟的 ， 也 使 用最多 2 1 , 靶 物 理 在实 验 和理 论 方 面也都取得了显著进展，由于靶工艺、高时间和高空间分辨率的诊断测试技术 浙江人学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 的发展获得了 许多定量的重复性好的 数据。 表 1 . 1 列举了世界各国 主要的惯性 约束聚变装置，它们的大部分靶内爆实验都是在固态激光装置上进行的 ( n o v a ， 精密n o v a , o m e g a , g e k k o x i i , p h e b u s ， 神光， d e l f i n和p r o g r e s s ) , 也有一些实验装置是在k r f ( n i k e )激光和碘激光 ( i s k r a - 5 )上进行的。 表1 - 1 2 0 0 1 年各国与惯性约束聚变有关的 主要装置 ( 包括在运行的和计划中的) q 系统名称实验室 驱动器能量 / a冲 宽度 激光 束数 备注 饭玻璃激光 美国 noval l nl5 5 k j / i n s 1 0 o me g ar o c h e s t e r 大学 3 k j / 1 n s2 4 o m e g a 升级 3 0 j6 0 ni fll nl - 2 mj / ( 3 - - 5 ) n s 1 9 2 在建造中 日本 ge k k o - x i i 大阪大学 1 5 0/ 1 n s1 2 k o n g o h 1 0 0 k j / ( 2 - 3 ) n s 2 4完成设计 法国 p h e b u s c e a梅里尔 1 4 k j / 2 . 5 n s2 l u li e c a l e 工业大学 0 . 7 k j / 0 . 6 n s6 me g a j o u l ec e a梅里尔 - 2 mj / ( 3 - 5 ) n s2 8 8完成设计 英国 vu l c a n 卢瑟福实验室 3 k j / i n s8 he l e n 原子武器研究中心1 . 3 k j / 0 . 2 n s3 俄罗斯 de l f i n 列别捷夫研究所 3 k j / l n s1 0 8 p r o g r e s s瓦维洛夫研究所 1 k j / i n s6 中国 神光- i上海光机所2 k j / l n s2 神光一 n 6 k j / ( 0 . 1 - 2 ) n s8 3 k 7 / ( 0 . 1 - 2 ) n s6在建造中 k r f激光 美国 ni ke 美国海军实验室 3 k j / 4 n s5 6 英国 s p r i t e卢瑟福实验室 2 5 0 j / 6 0 n s 6 t i t a n i a 7 k j / 6 0 n s1 2 完成设计 日本 as h u r a 电气技术实验室7 1 0 7 / 1 0 0 n s8 s u p e r a s h u r a ,电气技术实验室 8 k j / 2 . 2 n s1 2 中国天光一 i 原子能科学研究院4 0 0 7 / 2 3 n s 1 碘激光器 德国as t e r i x v马普量子光学研究所2 k j / i n s1 俄罗斯i s k r a - 5 全俄科学研究所 3 0 k j / 0 . 2 5 n s1 2 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 1 . 1 . 3激光惯性约束核变 惯性约束聚变要在极短的时间内把大量的能量注入到一定量的聚变燃料 中，将聚变燃料的密度和温度增大，这样就可以 使得核燃料氖氖 ( d - t ) 在惯 性约束作用一 f 还来不及向四周飞散就完成聚变。要实现受控聚变反应必须满足 劳 逊 判 据( l a w s o n c ri t e r i o n ) 1 11- 15 1 ， 即 : 户 : _ 1 0 s / 171 ,( 1 一 1 ) 其中p 为热核反应时等离子体密度，: 为约束时间， 在满足劳逊判据的情况下， 等离子体的密度和约束时间可以在一定范围内变动。 目 前，i c f的实现是通过高能激光束或粒子束打在毫米亚毫米级的 d -t 燃料微球 ( 靶丸)上，通过靶表面低z 烧蚀层的消融、内 部燃料聚爆等物理过 程网 ， 最 终使 微球中的 燃料满 足劳逊判据， 发生聚 变燃料而释放能 量。 这 样， 充 d t微球的设计生产就成为聚变的关键技术之一，而微球表面的低 z烧蚀层涂 敷的质量对它的性能有着举足轻重的影响。 1 . 2微球涂敷系统 目 前聚 变 微球的设计正 朝着高 增益， 多壳多 层靶方向 发展d 1ms ， 因 此许多 靶型号要求在微球表面涂敷一层或多层低z有机材料或掺杂的塑料涂层作为烧 蚀层有利于提高d t压缩比、 实现聚变点火温度。 夸 1 . 2 . 1对微球涂敷层的要求 制备激光核聚变靶球烧蚀层必须满足两个苛刻的条件1 1 1 14 111 0 1 . 1 ) 充d t微球不能加温，工艺温度必须低于 1 0 0 0 c ,避免已经充好的d t 过度泄漏损失. 2 ) 充d t 微球尺寸很小 ( 约几百个微米): 涂层厚度能大于1 0 0 u m ; 涂层的均匀性须至少达其厚度的3 %, ; 表面光洁度要小于涂层厚度的0 . 1 %，即要好于1 0 0 n m; 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 为了达到上述要求， 就要求使用悬浮装置使微球在涂敷期间不断做随机运 让其表面均匀涂敷。 ， 2 . 2涂敷系统构成 动圣 微球的烧蚀层 ( 有机材料) 涂敷技术包括沉积技术和使微球作随机运动的 悬 浮 技 术 两 个方 面。 美国l a w r e n c e l iv e r m o r e n a t io n a l l a b o r a t o r y ( l l n l ) , l o s a l a m o s s c i e n t i f ic l a b o r a t o r y ( l a s l ) 和我国的聚变研究单位都在研究采用低温 等离子体聚合工艺技术制备激光聚变靶球烧蚀层 ( 有机材料) 涂敷工艺 8 1一 u 他们成功地制备了满足实验要求的激光聚变微球烧蚀层 ( 有机材料) 。 图1 - 1 是 涂敷系统的示意: 真空涂敷室 图1 一 1微球烧蚀层涂敷系统示意图 在图 1 - 1中悬浮系统 ( 此处为反弹盘)的目的就是保证微球在涂敷过程中作随 机运动。 涂敷系统结构示意图如下页图1 - 2 所示。 低温等离子体聚合工艺已成为制备激光聚变微球烧蚀层 ( 有机材料)主要 工艺 $ 1 。其原理是在低真空室中利用辉光放电产生的 低温等离子体激活单体分 子在微球表面聚合成聚合物膜。射频电源通过射频祸合在放电管产生一个射频 电场，单体气体自 放电管上端向下流经放电管，在放电区，单体受射频电场激 发形成等离子体，并且产生激活的单体分子，这些活性单体到达微球表面时聚 合成有机膜。 目 前己 经开发出 分子束法、 反弹盘 ( 颤动) 法和声 悬浮 技术 u 。 其中 声 悬 浮技术，是声场中悬浮微球技术，但目 前用得较少，不在此处赘述。 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 g as feed m ixture 砚 图1 - 2涂敷系统结构示意图 浙江大学硕士学位论文动态微球涂败状态实时监测系统设计 分子束悬浮装置如图1 - 3 所示 1 2 1 c e n t e r i n gr i n g 点0点 .!mi l . l _ f i 1 1 1 e f f u s i v e d e f l e c t o r 图 1 一 3分子束悬浮装置 悬浮气体自 下而上通过微通道板使微球悬空。由于向心力环的作用，分子束产 生一个水平面内的向心力与垂直向上的升力，保持微球悬浮稳定。随着涂层材 料不断地沉积在微球上半球面，球的对称性改变，重力使球上、下球面调向， 这样循环往复使整个微球表面获得均匀的涂层。 反弹盘悬浮装置示意图如下页图1 - 4 所示。 压电陶瓷是其驱动动力源。在压电陶瓷上加上高频交流电 压，使其振动， 驱使反弹盘同步振动，从而使微球产生受激随机运动，在运动过程中微球表面 可涂敷上比较均匀的烧蚀层 ( 有机材料) 。 浙江大学硕士学位论文 动态微球涂敷状态实时监测系统设计 微球 o 0_ _ a o 电晶体 图1 - a反弹盘悬浮装置 1 . 3微球涂敷监测系统 微球涂层厚度一般需要达到1 0 0 u m，但其沉积速率只有1 u m / h r , i x 样每次 涂敷需要 1 0 0 小时。在微球涂敷系统中都留有观察孔，由于微球很小，肉眼难 以识别，而且仅以肉眼观察，由于疲劳难以做到长时间稳定的观察。因而有必 要开发出自 动化的，能稳定持续运行的监测系统。以下所述分别是美国 l l n l 实验室分子束悬浮法监测系统和我实验室反弹盘悬浮法的监控系统。 ; 1 . 3 . 1分子束悬浮法的微球监测系统 美国l l n l实验室使用的分子束悬浮监测系统框架如图1 - 5 所示19 1 :监测 系统中由激光光束照射在悬浮微球上，反射光经过光学系统成像在光电位置探 测器平面上。 光电管可同时输出两路信号1 1 , 1 2 ， 微球位置漂移， 必然导致光电 位置探 测器平面上相应的 像 位移，引 起1 1 . 1 2 的 相对变 化。 ( 1 1 - 1 2 ) / ( 1 1 + 1 2 ) 正比 于 微球位置的漂移量。通过检测这个比值的变化，控制悬浮器的气流阀，当微球 位置偏高时， 减少悬浮气体的流量，偏低时， 增大悬浮气体流量， 使微球始终 维持在某一位置。这个监测装置偏重于对悬浮气体流量的控制，而不能用于观 察和记 录微球涂敷的过程。 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监侧系统设计 等离子体调制 款 蒸 光接收器前置放大 1 i + 1 2 翌一t1-121+, urn1-lz 同步放大器 比较器 悬浮器 m k s 压力控制 器 步进器时钟 图1 - 5分子束悬浮监测系统框架图 互 1 . 3 . 2反弹盘法的微球监测系统 本实验室曾于1 9 9 7 年研制成一种基于反弹盘式涂敷系统的监控系统。 在这 个系统中使用了新型反弹盘， 盘面上布满了多个小孔， 每个孔中放置一个微球， 而不像l l n l在一个弹盘中放置多个微球一次涂敷，这样就解决了微球间的粘 联、碰撞问 题，而且，使用光学系统将微球的像成于c c d传感面上，由c c d 接收的图 像经过计算机程序处理来判定微球是否粘盘，如果粘盘则发出警告， 由人工或自 动的微球脱粘系统使微球脱粘重新跳动。 目前根据实际涂敷的经验，微球基本不会粘盘，也不会互相粘联，不再需 要判断微球与弹盘或微球之间互相粘联。 对新的监测系统有以下几点要求: i )可对大小两种不同视场，作实时监测; 2 ) 采用特殊光学照明系统，穿透荧光区，对微球涂敷状态进行实时监测; 3 )能连续保存实时视频图像三小时以上，并进行回放; 4 ) 可手动保存单帧图 像， 并对其进行电 子放大; 5 )对多个小弹盘监测时，可一一对其进行扫描采集图像; 根据这些要求，需要对此监测系统进行光、机、电、算一体化的设计，最终研 制一套实用的动态微球实时状态的监测系统，图 1 - 1是本课题研制的的新型监 浙江大学硕士学位论文 动态微球涂敬状态实时监铡系统设计 等离予体 ih光源h调制 # i 卜叫光接收器目前置放太 弱 j 比较器 悬浮器h 悯警洲h 步进箍h 时钟 图1 - 5 分子束悬浮监测系统框架图 1 3 2 反弹盘法的微球监测系统 本实验室曾于1 9 9 7 年研制成一种基于反弹盘式涂敷系统的监控系统。在这 个系统中使用了新型反弹盘，盘面上布满了多个小孔，每个孔中放置一个微球， 而不像l l n l 在一个弹盘中放置多个微球一次涂敷，这样就解决了微球间的粘 联、碰撞问题，而且，使用光学系统将微球的像成于c c d 传感面上，由c c d 接收的图像经过计算机程序处理来判定微球是否粘盘，如果粘盘则发出警告， 由人工或自动的微球脱粘系统使微球脱粘重新跳动。 目前根据实际涂敷的经验，微球基本不会粘盘，也不会互相粘联，不再需 要判断微球与弹盘或微球之间互相粘联。 对新的监测系统有以下几点要求： 1 ) 可对大小两种不同视场，作实时监测； 2 ) 采用特殊光学照明系统，穿透荧光区，对微球涂敷状态进行实时监测； 3 ) 能连续保存实时视频图像三小时以上，并进行回放； 4 ) 可手动保存单帧图像，并对其迸行电子放大； 5 ) 对多个小弹盘监测时，可一一对其进行扫描采集图像： 根据这些要求，需要对此监测系统进行光、机、电、算一体化的设计，最终研 制一套实用的动态微球实时状态的监测系统，图1 - 1 是本课题研制的的新型监 9 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 测系统实验装置的照片： 图卜l 微球涂敷系统监测系统实验装置照片 0 浙江大学硕士学位论文 动态微球涂敷状态实时监测系统设计 第二章微球涂敷实时状态监测系统总体设计 本章给出了总体方案的框架图，分析了系统各部分硬件、软件的可行性 确定了硬件的基本构成。 2 . 1 总体设计方案 在实际涂敷时，每一台镀膜机有四个真空室独立展开涂敷工作，这样就要 为每个真空室配备一套监测设备。 研制的实时监测系统总体方案框架图如图2 - 1 所示: 图2 - 1 微球涂敷实时状态实时监测系统框架图 从图中可以 看出，监测系统主要包括四个主要模块，分别是照明系统，摄像光 学系统，图像采集系统和扫描系统。系统的工作过程如下: 对大视场监测时 盘中有多个微球) ，不需要要扫描，一次对全视场成像。 照明系统使微球得到充分良 好的照明， 摄像光学系统将微球成像到c c d的传感 面， c c d将输出图 像的模拟电信号， 然后由图像采集卡转化为数字信号， 即数 字图像信号，即可输入到计算机，输入计算机后信号分为两路，一路经过图像 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 处理在屏幕上显示， 另一路则经压缩后存储在硬盘上。 为提高微球像的占空比， 设计了对小视场逐个扫掐监测的方案。具体地讲，就是将可清晰成像观察的大 视场分割成若千小视场， 即小弹盘: 进行实时监测时， 每个盘中只放一个微球， 每一时 刻只对一个小视场实施监测， 通过对大视场内 小弹盘的扫描达到对大视 场的全监视。 2 . 2总体设计方案分析 一个系统要持续稳定地工作，必须具有高可靠性，下面按监测系统的主要 四 个主要模块 ( 照明系统， 摄像光学系统，图像采集系统和扫描系统) 分别对 其进行可行性分析。总体设计方案原理图如图2 - 2 所示: 光源 半透半反境 弹盘 图2 - 2总体设计方案原理图 2 . 2 . 1 照明系统 照明系统主要需要考虑两个问题，首先是微球涂敷系统处于镀膜机的金属 真空室内，室内没有照明 光源，在真空室顶部仅预留有一个玻璃小窗口，既用 作照明，又要通过它进行监测。其次，在涂敷时由于射频线圈的作用， 通入真 空室内的有机气体会被激发出荧光，没有照明时从玻璃小窗口看进去，只能看 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 到等离子体荧光， 而看不到目 标。 解决问题一的方法:外置照明，通过一块半透半反的光学镜片，光线既可 以从外透射到真空室内进行照明，又可以通过光学系统由c c d成像监测。 解决问题二的方法:通过分析荧光的光谱，找出其光谱最弱的窗口，利用 对 应 波 长的 光 进 行 照明。 具 体的 设 计 方 法 在 后面 第 三 章光 学照明 系 统设 计) 陈述。 2 . 2 . 2 摄像光学系统 微 球 通常 是 直 径为 几百 个微 米的 玻 璃 球 或塑 料 球 i9 1f1 2 1d 3 1d 4 1涂 敷时 处 于 真 空室内。为了对这么小，而且距离远的目 标成像，就需要一套长工作距离的的 光学显微摄像系统，它是由长工作距离显微光学系统和通用摄像光学系统合成 的组合光学系统。 长工 作距离 显微光学系统 采用的 是美国 可视 达公司 ( q u e s t a r c o r p o r a t i o n ) 的q m - 1 型显微望远镜。 通用摄像光学系统使用了改进过的福光光学仪器有限公司的 g d s - 5 0摄像 镜头。 组合的光学显微摄像系统使得焦深可调，对( i o m m - (d 3 0 m m 的弹盘及置 于弹盘中的微球均可在 1 / 2 的c c d上成像，而弹盘内的微球均清晰可辨。 2 . 2 . 3 图像采集系统 图像采集系统主要包括c c d传感器、 高速图像采集卡及进行后端处理的计 算机。 本系统采用了wa i ， 黑白1 / 2 c c d ，其工作在p a l制式时，有效像素为: 7 5 2 ( h ) x 5 8 2 ( v ) ， 其 光敏 面 积为: 6 .4 x 4 .8 m m z ， 像 素 尺寸8 .6 u m x 8 .3 u m o 弹盘作为全视场在c c d上成像的示意图如图2 - 3 所示。 常用的微球直径大小在 0 .2 m m - - l m m之间， 现取极限情况:微球最小直径 为0 . 2 m m， 弹盘最大直径为2 0 m m，则微球成像后占空比最小， 在c c d传感面 上的像最小，设其像直径为d ，则按图2 - 3 形式成像，有 2 0 0 . 2 drd 浙江大学硕士学位论文 动态微球涂敷状态实时监测系统设计 可求得 d=0 . 2 x 4 . 8 / 2 0 =0 . 0 4 8 mm=4 8 u m ( 2 - 1 ) 微珠 图2 - 3弹盘全视场成像示意图 微球像的直径尺寸可占的像素数n 为: 4 8 / 8 . 6=5 . 5 8 ,51 ( 2 - 2 ) 所以图像采集系统分辨率足够，可以分辨微球的像。 2 . 2 . 4 扫描系统 在用小弹盘 ( 视场)对微球镀烧蚀层 ( 有机材料)时，要同时用多个小弹 盘在一个真空室里对微球进行涂敷，为尽可能清晰的观察微球，就要让每个弹 盘作为一个完整视场来分时扫描监测，这样就可以让微球在屏幕上成像最大。 若干小反弹盘分布在一个平面上，所以要进行二维扫描，扫描系统包括扫 描机构和步进电机驱动 ( 硬件和软件) 模块。 二维扫描机构由步进电机驱动，其平动一维由燕尾滑动导轨带动摄像系统 实现，另一维由凸轮机构带动摄像系统偏转实现。凸轮机构采用对心偏心圆凸 轮，凸轮和其从动件经淬火处理增加其耐磨性，可延长其寿命。 驱动扫描机构的步进电机采用大力矩的混合式步进电机，驱动控制系统使 用以p h i l i p s 公司的高性能增强型5 1 单片机p 8 9 c 6 1 作为m c u ( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ) 。 控制软件部分k e i l c 5 1 集成开发环境下采用高效的编制c语言编制。 可 靠的软硬件设计能保证系统持续平稳的运行。 浙江大学硕士学位论文 动态微球涂敷状态实时髓测系统设计 第三章照明系统设计 良好的照明系统能保证使处于密闭真空室中的微球得到充足的照明，并成 像于涂敷系统之外，让c c d 能接收到清晰的微球像。本章第一节分析了对照明 系统的特殊要求，提出解决思路，第二节通过试验l e d 和余属卤钨灯两种不同 光源，作出对比之后，最终作选用l e d 作为照明光源。 3 1 对照明系统的特殊要求 得到微球的清晰像必须具有良好的照明系统、照亮正在涂敷的微球，此时， 摄像系统刁能获得对比度好，且符合要求的微球像。其中照明系统有两个主要 问题要解决( 参见2 2 1 照明系统) ，这两个问题给监测带来很大困难。为此 对照明系统提出以下几个特殊要求： 1 ) 照明和监测摄像都要通过同一个小的玻璃观察窗口进行； 2 ) 照明光线要透过等离子体荧光区域，使得c c d 能接收到清晰的微球像； 3 ) 照明光不能太强，太强则会使弹盘和玻璃观察窗口的反射光太强，形成 眩光，影响成像结果。 解决第一个问题的方法是用一个半透半反的镜片，让照明光照到真空窒中 的微球，由弹盘反射回来的光再经半透半反镜反射，通过摄像光学系统由c c d 接收。其原理示意图见图2 2 。 对于第二个问题，通过分析所测得的荧光光谱曲线，发现其在 5 3 0 r i m 5 6 0 n m 范围内比较弱，可视为在此处有一窗口，只要波长为5 4 0 n m 的 l e d 照明就可以穿透荧光区，看到微球。在此思路下，通过试用不同的光源： 或采用对应波长范围内的光源，或加入相应的滤色片即可摒除荧光对摄像系统 的干拢。 对于照明系统，需要考虑另一个问题：有三处会有反光，产生眩光。首先， 涂敷时微球会与弹盘一起镀有机材料烧蚀层，按照微球烧蚀层表面光洁度的要 浙江大学硕士学位论文 动态微球涂敷状态实时监测系统设汁 求( 具体见1 2 1 对微球涂敷层的要求) ，涂在弹盘表面的涂层必然非常光滑。 其次观察窗口的透光性良好的光学玻璃表面也非常光滑，还一些光会从半透半 反镜的后面直接由半透半反镜的安装筒反射。这两个光学表面和一个非光学表 面对光的反射就必然使得照明光中相当一部分会进入摄像光学系统，形成眩光。 此时就使得屏幕上只能看到反射回来的眩光。图3 - 1 为模拟实验在有荧光时在 图3 - 1 照明眩光对比 属金卤钨灯照明下拍摄的眩光图像，左侧为反射回的眩光，一片模糊，根本就 没有弹盘与球的对比，看不到弹盘，更分辨不出微球；右侧为微球像，这里为 了拍到对比度强的图像，拍摄时有意让光源方向偏转一个角度只让弹盘的一部 分出现眩光，而一般情况下拍摄到的整个图像都会充满眩光，弹盘与微球根本 不可分辨。 在这种情况下不仅看不到所要的微球像，而且使得c c d 总是工作在满负荷 状态，使其工作电流很大，发热较高，会影响其使用寿命，由于采用了高灵敏 度黑白c c d ，不再需要强光照明，只要让光源的强度能让c c d 正常工作即可 得到理想的微球像。 对于三种可能产生眩光的原因，采取不同方法解决。前两种是光学镜面反 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 射所致，通过调整光源解决，后一种的解决须对半透半反镜安装筒的内表面进 行表面处理，通过增加其粗糙度并发黑处理，让入射光漫反射和被吸收，以 起 到较好效果。 3 . 2 照明系统设计 根据上一节对照明系统提出的要求与解决思路，试验了高亮度l e d ,金属 卤 钨灯及光纤照明等不同的照明方案， 最终比 较之后选择了高亮度l e d作为照 明光源。 3 . 2 . 1金属卤钨灯 带反射碗的金属卤钨灯有不少优点，寿命和发光效率高是普通白炽灯的两 倍， 一般使用1 2 v电压， 方便、 安全， 价格便宜。 但它也有一些缺点， 发热大， 本系统应用时需要冷却，而且因其制造工艺简单，市场上待售产品的质量也参 差不齐。 使用金属卤钨灯照明效果不错 ( 见下一小节与l e d灯照明效果对比) ，但 眩光不好消除。所以又考虑了热门的l e d作为光源。 3 . 2 . 2 l e d 光源 当前高亮度l e d作为绿色节能照明光源正处于一个蓬勃发展期， 它可以 用 作液晶背光源、信号指示灯，也用于城市亮化工程作为城市道路、大楼、立交 桥、广场、草坪的照明，还可以用于一些特殊的场合。 高 亮l e d 之 所以 被 广 泛 看 好， 是因 为 其 有 一 系 列 优点 l 6 17 8 . 1 )可用低压直流源 ( 3 v左右)点亮，功耗低 2 ) 体积小巧 3 ) 发光效率高，发热低 4 )寿命长，可达 1 0 0 0 0 0 小时 5 ) 耐振动， 可靠性高 6 )发光的方向性强 7 )光谱范围窄 浙江大学硕士学位论文动态微球涂敷状态实时监测系统设计 这些优点使得高亮l e d 灯比金属卤钨灯更具优势：体积和所需电压更小， 寿命更长，可靠性更高等等。采用l e d 作照明光源不仅节约了本来就紧张的空 间、减少了能耗，而且它的体积小发热少，不需要冷却装景 3 】 1 9 】。 采用金属卤钨灯和高亮l e d 照明都会产生眩光。用l e d 照明时，消除眩 光的方法是在l e d 与半透半反镜之间斜放置一片正透镜，l e d 光轴与垂直方 向有一个小夹角，透镜光轴与半透半反镜垂直，调节入射光束，使其均匀照射 在目标( 弹盘) 上。这样，对于相互平行的反弹盘底面和监测窗e l 玻璃平面来 说，入射光就不是垂直入射，反射光也不会大量被c c d 接收，从而有效的解决 了l e d 照明时的眩光问题。 3 2 3 金属卤钨灯与l e d 光源的实验效果对比 通过对比两种照明光源在有、无荧光干扰下不同工作情况的使用效果，分 析各自的优劣。首先是在没有等离子体荧光干扰的情况两种光源照明的实际情 况，如图3 - 2 所示，图3 - 2 ( a ) 为l e d 照明下的图像，图3 - 2 ( b ) 金属卤钨灯照明 下的图像。从中可以看出：在两种照明情况下并无明显差别，说明两种照明光 源在无荧光等离子体的干扰时基本可以达到相同的照明效果。 当进行模拟实验，低压真空室内稀薄气体在高压电极激发下产生等离子体 荧光，此时两种光源照明效果采样图，如下页图3 3 所示，从图中可以看出，在 模拟实际工作状态有等离子体荧光干扰时，l e d 灯的照明效果要稍好于金属卤 钨灯的照明效果。 考虑到l e d 光源相对于卤钨灯的一系列优点，l e d 作光源要更容易维护， 最终决定采用高亮l e d 作为照明光源。 浙江大学顶士学位论文 动态微球涂敷状态宴时监测系统设计 ( a ) l e d 照明下的微球像 ( b ) 金属卤钨灯照明下的微球像 图3 - 2 无等离子体荧光干扰时l e d 与金属卤钨灯照明效果对比 9 浙江大学硕士学位论文 动态微球涂敷状态实时监测系统设计 ( a ) 高亮l e d 照明下的微球像 ( b ) 金属卤钨灯照明下的微球像 图3